Probleme de bilant termic

PROBLEME DE BILANT TERMIC

1. Intr-un evaporator se concentreaza 2500 kg/h solutie de acid lactic de la 8% la 40%. Temperatura solutiei diluate este de 300C, iar caldura sa specifica de 3855 J/kg K. Evaporatorul functioneaza sub vid, conditie in care temperatura de fierbere a solutiei este de 750C. Incalzirea evaporatorului se realizeaza cu abur saturat uscat de 1.2 at, cu caldura latenta de vaporizare de 2248 kJ/kg.

10% din aburul secundar se utilizeaza la preincalzirea solutiei diluate intr-un schimbator de caldura multitubular, restul se condenseaza intr-un condensator barometric.

Se sa determine:

a. temperatura la care se preincalzeste solutia diluata ce alimenteaza evaporatorul;

b. debitul de abur primar necesar functionarii evaporatorului;

c. debitul apei de racire din condensatorul barometric stiind ca temperatura de intrare este de 120C, iar cea de iesire a condensului este de 400C.

2. Intr-un evaporator se concentreaza o solutie de sulfat de amoniu de la 12.5% la 30%. Debitul solutiei rezultate din evaporator este de 800 kg/h. Inainte de intrare in evaporator, solutia diluata se preincalzeste intr-un schimbator de caldura de la 240C la 800C cu ajutorul unei parti din aburul secundar. Restul aburului secundar se utilizeaza la incalzirea altor utilaje. Temperatura de fierbere in evaporator este de 1050C. Pentru incalzirea evaporatorului se dispune de abur saturat uscat cu presiunea de 2 bari. Sa se calculeze debitul de abur primar necesar functionarii evaporatorului si debitul de abur secundar preluat pentru incalzirea altor utilaje.

Se dau:

caldura specifica a solutiei diluate - 4000 J/kg K;

entalpia aburului secundar - 2687 kJ/kg;

caldura latenta de vaporizare a aburului primar - 2208 kJ/kg.

3. Intr-un decantor se prelucreaza 10 t/h suspensie cu un continut de 5% faza solida. Namolul din decantor, cu o umiditate de 60%, se usuca intr-un uscator cu functionare continua pana la o umiditate finala de 9,9%, raportata la materialul uscat (kg apa/ kg solid uscat). Uscarea se realizeaza cu aer la o temperatura constanta de 1200C. Considerand ca pierderile de caldura reprezinta 10% din cantitatea de caldura necesara, sa se calculeze:

a.    debitul de aer necesar uscarii, stiind ca se utilizeaza aer cu o temperatura de intrare in calorifer de 250C, presiune de saturatie 23.756 mm Hg, umiditate relativa 0.8, iar la iesirea din uscator aerul are o umiditate de 0.055 kg apa/kg aer uscat. Presiunea totala este de 765 mm Hg;

b.    cantitatea de caldura care trebuie asigurata in proces prin sistemul intern de incalzire.

4. Un debit de 2400 kg/h solutie apoasa cu o concentratie de 10% solut se concentreaza prin evaporare. Dupa prima treapta concentratia solutiei este de 30%. Sa se calculeze:

a. debitul de abur primar necesar functionarii primului evaporatorstiind ca se foloseste abur saturat uscat de 1200C;

b. concentratia solutiei care se obtine din cel de-al doilea evaporator, stiind ca functionarea sa este asigurata de 25% din aburul secundar rezultat din primul evaporator.

Se dau:

temperatura de intrare a solutiei diluate in primul evaporator t0 = 250C;

temperatura de fierbere in primul evaporator tf1 = 1050C;

entalpia aburului secundar obtinut in primul evaporator, h'1 = 2687 kJ/kg;

temperatura de fierbere in cel de-al doilea evaporator tf2 = 1250C;

entalpia aburului secundar obtinut in primul evaporator, h'2 = 2718 kJ/kg;

caldura specifica medie a solutiei de 30% este 2850 J/kg grd;

caldura specifica medie a apei se va considera 4186 J/kg grd.

5. Intr-un evaporator se concentreaza 2800 kg/h solutie apoasa de la 15 la 50%. Solutia concentrata cedeaza caldura, intr-un schimbator de caldura multitubular, unui amestec gazos sulfuros format din 60% H2S si 40% SO2, care se incalzeste de la 30 la 700C.

Sa se determine:

a.    debitul de abur primar necesar functionarii evaporatorului, stiind ca pentru incalzire se foloseste abur saturat uscat de 2 at, avand caldura latenta de vaporizare, r = 2208 kJ/kg, iar temperatura de fierbere in evaporator estede 1100C;

b.    debitul de amestec sulfuros preincalzit in schimbatorul de caldura, stiind ca solutia concentrata iese din schimbator cu o temperatura de 850C.

Se dau:

ecuatiile caldurii molare, la p = const, pentru:

H2S - CH2S = 34.27 + 15.1×10-3 t [J/mol grd]

SO2 - CSO2 = 38.04+20.1×10-3t - 3.48×10-6 t2 [J/mol grd]

entalpia aburului la 1100Ceste de 2696 kJ/kg;

caldura specifica medie a apei se va considera 4190 J/kg grd;

temperatura de alimentare in evaporator a solutiei diluate este de 400C;

caldura specifica medie a solutiei concentrate se va considera 2750 J/kg grd. caldura specifica medie

absorbtie

Dizolvarea CO₂ gazos in apa la 30°C este descrisa cu a buna aproximatie de legea lui Henry:

p_i = H_i^.y_i
Daca la fabricarea apei gazoase se imbuteliaza lichidul la presiunea de 1,2 atm si 30°C, sa se calculeze ce cantitate de CO₂ (g) se degaja din lichid cind se destupa sticla. Volumul de lichid din sticla: cm³, constanta lui Henry pentru CO₂ la 30°C: H atm si se presupune ca in sticla, deasupra lichidului, se gaseste numai CO₂ (y=l).

(0,11614 g)

In procesul de obtinere a acidului sulfurlc se obtine un gaz continind 95% S0₃ si 5% O₂ (in volume). Gazul este trecut printr-o coloana de absorbtie unde se retine 98% din cantitatea de S0₃. In timpul procesului de absorbtie temperatura si presiunea ramin constante.
Sa se calculeze:

a.volumul de gaz care iese din coloana de absorbtie pentru 100 m³ amestec la intrare;

b.compozitia procentuala (% vol a gazului la iesirea din coloana de absorbtie.

(a: 6,9 m³; b: SO₃

Intr-o coloana de absorbtie se absoarbe acetona din aer, utilizind apa ca dizolvant. Se cunosc:

debitul amestecului gazos: Nm³/h;

concentratia acetonei in amestecul gazos care intra in coloana: 5% vol

concentratia acetonei in amestecul gazos care iese din caloana: l% vol;

concentratia acetonei in solutia apoasa care iese din coloana: 80% din concentratia la echilibru.

Stiind ca pentru absorbtie se utilizeaza apa recirculata continind 0,15% masa) acetona, sa se calculeze bilantul de materiale al coloanei de absorbtie. Relatia de echilibru este: Y^*=1,68^.X.

(X₁= 0,02504; L kmol/h)

Intr-o coloana de absorbtie se retine NH₃ dintr-un amestec NH₃-aer. Ca lichid absorbant se utilizeaza apa recirculata continind 0,2% masa NH₃. Debitul amestecului gazos este de 150 kmol/h. Fractia molara a amoniacului in amestecul gazos la intrarea in coloana este Randamentul operatiei de absorbtie este de Concentratia NH3 in solutia apoasa care iese din coloana reprezinta 85% din concentratia de echilibru. Relatia de echilibru este
Y *= 11,568^.X^1,546
Sa se calculeze debitul de apa necesar in coloana de absorbtie.

(L = 282,5 kmol/h)

5. Intr-o coloana se absoarbe in apa acetona dintr-un amestec acetona-aer. Se cunosc urmatoarele date:

debitul amestecului gazos: 2500 Nm³/h

concentratia acetonei in amestecul gazos care intra in coloana: 5% vol.

concentratia acetonei in amestecul gazos care iese din coloana: 1% vol.

concentratia acetonei in solutia apoasa care iese din coloana: 80% din concentratia la echilibru

- ecuatia liniei de echilibru: Y = 1,68*X

Stiind ca pentru absorbtie se utilizeaza apa recirculata continand 0,15% acetona, sa se calculeze debitul de apa necesar realizarii operatiei.

R: 183,3 kmol/h

6. Intr-o coloana se absorb in ulei vaporii de benzen dintr-un amestec gazos. Concentratia initiala a benzenului in amestecul gazos este 3,5%vol., iar gradul de separare a benzenului are valoarea de 78%. Concentratia benzenului in uleiul care iese din coloana reprezinta 80% din concentratia la echilibru. Ecuatia liniei de echilibru este: Y = 0,126*X.

Stiind ca debitul de ulei necesar in coloana de absorbtie este de 20 kmol/h, sa se determine debitul amestecului de gaze si vapori de benzen, care se alimenteaza in coloana.

R: 167,4 kmol/h

Amestecuri

1. Sa se calculeze cantitatile de solutii apoase m₁, m₂ si m₃, necesare pentru prepararea a 100kg solutie de compozitie 20% etanol, 37% metanol, 43% apa.

Compozitiile solutiilor care se amesteca sunt indicate mai jos:

Solutia 1: 10% etanol; 60% metanol; 30% apa

Solutia 2: 35% etanol; 20% metanol; 45% apa

Solutia 3: 20% etanol; 15% metanol; 65% apa

R: 45,52 kg; 30,34 kg; 24,14 kg

Analiza dimensionala

1. Sa se determine ecuatia generala de stare a unui gaz perfect stiind ca intervin marimile: p presiunea), v (volumul specific), T (temperatura absoluta), R (constanta universala a gazelor). Functia implicita este: f(p, v, T, R) = 0

()

2. Determinarea expresiei pentru forta de rezistenta care se opune deplasarii unui corp care pluteste cu viteza uniforma w intr-un lichid cu densitatea r si viscozitatea h

Fenomenul este caracterizat de urmatoarele marimi fizice:

F_R - forta de rezistenta ce se opune plutirii , N

S - aria sectiunii transversale imersata in lichid a corpului, m²

h - viscozitatea fluidului, Pa s

r - densitatea fluidului, kg m^-3

g - acceleratia gravitationala m s^-2

w - viteza de deplasare m s

(sau )

3. La curgerea fluidelor prin conducte apare o pierdere de presiune cauzata de frecarea dintre fluid si peretele conductei. Fenomenul este caracterizat de urmatoarele marimi fizice:

- pierderea de presiune

h - viscozitatea fluidului

r - densitatea fluidului

g - acceleratia gravitationala

w - viteza medie de curgere a fluidului

l - lungimea pe care are loc pierderea de presiune Dp

d - diametrul interior al conductei

Sa se deduca criteriile de similitudine si a ecuatiile criteriale ce exprima pierderea de presiune la curgerea fluidelor prin conducte circulare.

()

4. Determinarea diametrului bulelor de gaz ce se formeaza la iesirea dintr-un tub imersat in lichid (Benzing), cunoscand ca fenomenul este caracterizat de:

D - diametrul bulei

d - diametrul orificiului tubului capilar

h - viscozitatea fluidului

r - densitatea fluidului

g - acceleratia gravitationala

s_s - tensiunea superficiala a lichidului la contactul cu gazul

() Constantele c, m si n se determina pe cale experimentala.

5. Cu ajutorul analizei dimensionale sa se stabileasca ecuatia pentru viteza w de cadere a unei sfere cu diametrul d intr-un fluid cu vascozitatea y si densitatea r, acceleratia gravitationala g si miscarea uniforma.

6. Sa se determine grupurile adimensionate si forma generala a ecuatiei care caracterizeaza transferul de substanta dintre un gaz si un lichid, intr-o coloana cu pereti udati.

Marimile caracteristice fenomenului sunt urmatoarele:

k - coeficient partial de transfer de masa,

D - coeficient de difuziune de masa,

h - viscozitatea dinamica a lichidului,

r - densitatea lichidului,

w - viteza de curgere a lichidului,

d - diametrul coloanei (sau lungimea caracteristica).

7. Utilizand, la alegere, aplicarea teoremei p sau metoda Rayleigh, sa se determine ecuatia criteriala pentru calculul coeficientului partial de transfer termic la curgerea unui fluid printr-o conducta circulara orizontala. Procesul este determinat de urmatoarele marimi:

r - densitatea fluidului;

c_p - caldura specifica a fluidului;

h - vascozitatea dinamica a fluidului;

l - conductivitatea termica a fluidului;

w - viteza de curgere a fluidului prin conducta;

D - diametrul conductei;

a - coeficientul partial de transfer termic.

Concentratii

l. Solutia apoasa de acid acetic cu concentratia 30% (masa), are densitatea 1030 kg/m³. Sa se exprime concentratia acidului acetic in solutie sub forma de: raport de masa, fractie de volum, concentratie volumica, concentratie molara, fractie molara si raport molar.

2. Se amesteca doua volume egale de tetraclorura de carbon si toluen. Considerind ca volumul amestecului lichid este egal cu suma volumelor componentilor, sa se determine densitatea amestecului si sa se exprime concentratia toluenului sub forma raportului de masa si a concentratiei molare. Densitatile componentilor la 20°C sunt: tetraclorura de carbon [A]: 1594 kg/m³, toluen [B]: 886 kg/m³.
kg/m³; kg_A/kg_B; kmol_A/m³)

3. Un amestec lichid este compus din: 20% cloroform, 40% dicloretan si tetraclorura de carbon (procente molare). Sa se determine densitatea amestecului considerind ca la amestecare nu are loc modificarea volumului.
1450 kg/m³

4. Densitatea unui amestec de azot si dioxid de carbon este de 1,5 kg/m³. Sa se stabileasca compozitia amestecului in fractii molare (volumice).
N₂ C0₂)

5. Sa se calculeze densitatea unei suspensii cunoscind ca densitatea fazei solide este 2200 kg/m³, iar densitatea fazei lichide este kg/m³. Continutul in faza solida al suspensiei este de (masa) kg/m³)

6. Sa se calculeze volumul molar al etilenei la p = 200 atm si t l00°C utilizind ecuatia van der Vaals. Constantele din ecuatia van der Vaals pentru etilena sint a = atm^.cm⁶,
b cm³.

cm³)

7. Un curent de hidrogen contine 25% mol azot. Sa se determine fractia masica si raportul de masa al apei in amcstec.
(x '= 0,176, X'=

8. Un curent de aer contine 6% masa SO₂. Sa se calculeze fractia molara si raportul molar al dioxidului de sulf in amestec.
(x = 0,028, X

9. Se amesteca un debit de 10 moli/h CO₂ cu un debit de aer pur. Amestecul rezultat contine (mol) CO₂. Sa se calculeze:
a. Debitul molar de amestec, (mol/h) b. Debitul molar de oxigen (mol/min) (a: mol/h b: mol/min)

Un amestec de gaze provenind de la clorurarea metanului are urmatoarea compozitie: CH₄ - 10%, CH₃C1 - 20%, CH₂Cl₂ - 27%, CHCl₃ l9%, CCl₄ 24% (proncente molare). Sa se calculeze:
a. masa moleculara medie a amestecului;
b. fractiile masice ale componentilor amestecului:
c. debitul molar corespunzator unui debit masic de kg/h.
(a: 94,315 kg/kmol; b: 0,0169; 0,1071; 0,2433; 0,2407; 0,3918; c: 10,76 kmol/h)

Decantare

11. Intr-un decantor cu functionare continua se prelucreaza 50.000 kg/h suspensie apoasa de CaCO₃ cu concentratia de l0% (masa) faza solida. Umiditatea namolului este de 45% (masa). Sa se calculeze debitul volumetric de namol obtinut. r_CaCO3 kg/m³.
(G_vn = 8,517 m³/h)

12. Intr-un decantor cu functionare continua se obtine un debit de 12.000 kg/h namol cu umiditatea de 60%. Stiind ca debitul de suspensie alimentata in decantor este de 70.000 kg/h, sa se calculeze concentratia suspensiei si debitul lichidului limpezit.
x_s G₁=58.000 kg/h

DistEchilibru

1. Sa se calculeze raportul dintre debitul de vapori si debitul de lichid, obtinut in conditiile distilarii de echilibru a gazolinei la P = 18,2 bar si T = 330 K.

Compozitia gazolinei si valorile constantelor de echilibru ale componentilor acesteia (in conditiile de operare indicate), sunt specificate in tabelul urmator:

Evaporare

1. O solutie continind 40% NaOH si 0,1% impuritati nevolatile, cu un debit initial de kg/h, se concentreaza prin evaporare pina la concentratia de NaOH. Sa se calculeze debitul solutiei concentrate, debitul apei evaporate si concentratia impuritatilor in solutia concentrata.
S₁=1600 kg/h; W=1400 kg/h; x_i

Intr-o instalatie de evaporare cu doua trepte de evaporare se concentreaza 6.000 kg/h solutie de NH₄N0₃ de la concentratia initiala de 6% pina la concentratia finala de Dupa prima treapta de evaporare concentratia solutiei este de Sa se calculeze debitele necunoscute.
(S₁=1.800 kg/h; S₂=800 kg/h; W₁=4.200 kg/h; W₂=l.000 kg/h

Intr-un evaporator are loc concentrarea unei solutii in care pe linga o sare anorganica mai este dizolvata si o impuritate greu volatila. Sa se specifice numarul de date de proiectare necesar pentru ca problema sa fie determinata. Sa se propuna valori numerice si sa se rezolve.

4. Intr-o instalatie de evaporare in trei trepte cu circulatie in echicurent, se concentreaza o solutie apoasa de NaOH de la concentratia initiala de 8%, pana la concentratia finala de 40%. Debitul de solutie diluata alimentat in instalatie este de 10000 kg/h. Debitul de vapori rezultat din fiecare evaporator urmator este cu 11% mai mare decat cel obtinut din evaporatorul precedent.

Sa se stabileasca bilantul de materiale al instalatiei de evaporare.

Instalatii

1. Intr-o instalatie formata dintr-un evaporator si un cristalizator, se prelucreaza 2500 kg/h solutie continand 30% NH₄NO₃ si 1% impuritati solubile, nevolatile.

Se cunosc:

- concentratia NH₄NO₃ in solutia concentrata care iese din evaporator: 50%

- concentratia NH₄NO₃ in solutia mama: 10%

- concentratia impuritatilor in solutia mama: max.5%

- pentru evitarea acumularii impuritatilor in circuit, o parte din solutia mama se elimina din instalatie, iar restul se recircula in evaporator impreuna cu solutia proaspata

- cristalele de NH₄NO₃ care rezulta din cristalizator au umiditatea de 20%

Sa se stabileasca bilantul de materiale al instalatiei.

Nestationar

1. Intr-un rezervor considerat cu amestecare perfecta se gaseste o cantitate de 7000 kg solutie apoasa cu concentratia 10%. La un moment dat se incepe introducerea unui debit de
4 kg/s apa si simultan se evacueaza din rezervor un debit de 2,5 kg/s solutie rezultata.

Sa se calculeze timpul dupa care concentratia solutiei care iese din rezervor devine 5%.

R: 1368,4 s

2. Doua rezervoare considerate cu amestecare perfecta si avand volumele V= V= 2 m³, sunt pline cu o solutie apoasa cu concentratia 25%. La un moment dat, se incepe introducerea in primul rezervor a unui debit de 4 kg/s solutie apoasa cu concentratia 2%. Solutia care iese din primul rezervor se introduce in cel de-al doilea. Sa se determine concentratia solutiei evacuate din cel de-al doilea rezervor, dupa 15 minute de la inceperea regimului tranzitoriu.

R: 12,6%

Prelucrare date experimentale

1. Sa se determine constantele a si b din ecuatia empirica pentru corelarea datelor din tabelul de mai jos:

stiind ca ecuatia de corelare este de forma: Nu = a Pr^b

R: a=33; b=0,4387

2. Sa se determine energia de activare E si factorul preexponential A din ecuatia . (in ecuatia Arrhenius T este in Kelvin).

R: A=2,57^.10^-4 h^-1, E=22757,6 cal/mol

3. Sa se determine coeficientii ecuatiei de corelare pentru coeficientul de frecare l in functie de numarul Re la curgerea fluidelor in regim turbulent, in conducte netede:

ecuatia de corelare fiind de tipul: l = a Re^b, prin metoda:

a)      reprezentare grafica in diagrama logaritmica;

b)     metoda mediilor.

R: a=0.3412 b= - 0.2571

4. Pe baza datelor experimentale obtinute la filtrarea unei suspensii in conditii de presiune constanta, prezentate in tabelul de mai jos, sa se determine constantele din ecuatia filtrarii.

t = a V² + b V

a)      metoda grafica;

b)     metoda celor mai mici patrate.

R: a = 0,0037 s/cm⁶; b = 0,4533 s/cm³

5. Pentru un taler sita sa se calculeze coeficientii din relatia empirica pentru corelarea pierderii de presiune, Dp; cu viteza de circulatie a aerului prin orificiile talerului, w, pe baza urmatoarelor date experimentale:

stiind ca ecuatia de corelare este de tipul Dp = a w^b

a)      metoda grafica [lg y = f(lg x)];

b)     metoda celor mai mici patrate.

R: a=0,1212; b=2.

6. Pe baza datelor experimentale obtinute in scopul etalonarii unei diafragme sa se determine coeficientii ecuatiei de corelare intre debitul volumetric de fluid G_v si denivelarea manometrica:

Ecuatia de corelare are forma G_v = K(Dh)^b.

a)      reprezentare in diagrama logaritmica;

R: a=1,58; b=0,45.

7. Sa se determine coeficientii ecuatiei de corelatie la curgerea fluidelor in regim laminar, in conducte circulare pentru coeficientul de frecare, l, functie de numarul Re.

l = a Re^b

a)      reprezentare grafica in diagrama logaritmica;

b)     metoda celor mai mici patrate.

R: a=64; b=-1.

8. Sa se determine coeficientii ecuatiei de corelatie pentru coeficientul de frecare, l in functie de numarul Re, la curgerea fluidelor in regim laminar, in conducte circulare.

l = a Re^b

c)      reprezentare grafica [lg y = f(lg x)];

d)     metoda celor mai mici patrate.

R: a=64; b=-1.

9. Pe baza datelor experimentale din tabelul de mai jos sa se calculeze coeficientii din relatia empirica redand corelatia dintre pierderea de presiune DP si viteza w a aerului in orificiile unui taler sita. Relatia este de forma:

DP = a w^b

Se va utiliza metoda celor mai mici patrate.

R: a = 0.1208; b= 2.

10. Aplicati metoda celor mai mici patrate pentru aflarea constantelor de corelare din ecuatia pentru calculul caldurii specifice a alcoolului metilic in functie de temperatura:

C_p= a + b^.t + c^.t²

cand se dispune de n perechi de valori C_p - t obtinute experimental.

Rectific

Intr-o coloana de rectificare se separa un amestec pentan-hexan cu un debit de 100 kmol/h, continind 30% mol pentan. Distilatul rezultat contine 95%. mol pentan, iar reziduul mol hexan. Sa se calculeze debitele masice de distilat si reziduu.

(G_D=l. kg/h; G_W=6.469 kg/h

O coloana de rectificare produce kg/h distilat, care contine 98,5%(masa) component usor volatil si kg/h reziduu cu un continut de 96,6% masa) component greu volatil. Raportul de reflux este 2,94. Sa se determine:
a. continutul in component usor volatil al amestecului de alimentare masa) b. debitul de vapori (in kg/h) care trece din coloana in condensator.

(x_f' G_V= 4.334 kg/h)

Intr-o instalatie de rectificare se separa 10 t/h amestec de compozitie: 30% benzen, toluen si xilen. Cunoscind compozitia distilatului: 98% benzen, 1,5% toluen si a reziduului: benzen, 5% toluen, sa se calculeze debitele molare de distilat si de reziduu produse de coloana (concentratiile sunt date in procente molare).

D 32,l kmol/h; W kmol/h

Sa se arate care din urmatoarele seturi de date propuse pentru o instalatie de rectificare a aerului lichid are semnificatie fizica si de ce. Sa se rezolve problema pentru setul de date corect:

a.      G₁ =100 kmol/h; x₁₁= 0,2089., x₁ =0,7808, x₂₁=0,93, x₂₂=0,03, x₂₃=0,0.

b.     G₁=100 kmol/h; x₂₁=0,90, x₃₂=0,953, x₁₁=0,2098, x₁₂=0,7808, x

(notatii: G₁- alimentare, G₂ - distilat, G₃ - reziduu. Componentii: oxigen, azot, - argon)

b. G kmol/h; G₃=79,8 kmol/h; x₃₁=0,0341, x₃₃=0,0129

5. Debitul de alimentare al unei coloane de rectificare contine un numar Nc=5 componenti. Sa se specifice numarul de date de proiectare necesar pentru ca problema sa fie determinata.

Un amestec ternar este separat partial intr-o coloana de rectificare. Componentul 1 este cel mai volatil, iar componentul este cel mai greu volatil. Sa se calculeze bilantul de materiale cu datele din schema de mai jos.

7. Pentru separarea unui amestec ternar benzen - toluen - xilen, se utilizeaza doua coloane de rectificare. Amestecul are debitul de 150 kmol/h si urmatoarea compozitie: 55% mol benzen, 35% mol toluen, 10% mol xilen. Compozitia distilatului obtinut din prima coloana de rectificare este: 2,5% mol toluen, 0,5% mol xilen. Compozitia distilatului rezultat din cea de-a doua coloana de rectificare este: 5% mol benzen, 3% mol xilen. Reziduul celei de-a doua coloane contine 1% mol benzen, 3% mol toluen.

Sa se stabileasca bilantul de materiale al instalatiei de rectificare.

8. Intr-o coloana de rectificare se separa un amestec de pentan-hexan. Debitul amestecului de alimentare este de 100 kmol/h. Concentratiile componentului usor volatil in amestecul de alimentare si in distilat sunt 30% mol si respectiv 95% mol. Concentratia componentului greu volatil in reziduu este 90% mol. Debitul de reflux este de 60 kmol/h. Sa se calculeze debitele masice de distilat, reziduu si vapori produse de coloana de rectificare.

R: 1710,6 kg/h; 6469,3 kg/h; 6072,6 kg/h

Uscare

kg/h carbonat de calciu cu umiditatea de 60%. (raportata la materialul umed) se usuca pina la o umiditate finala de 15% (raportata la mat.erialul umed). Sa se calculeze debitul de apa indepartata si debitul de material uscat rezultat din uscator.

kg/h; 1176,5 kg/h)

2. Sa se determine debitul de apa care trebuie indepartata dintr-un material umed supus uscarii daca se cunoaste ca:

uscatorul -functioneaza in regim stationar;
umiditatea materialului la intrare este de 40%;
umiditatea materialului la iesire este de debitul de material umed la intrare este de kg/h.

Sa se efectueze calculul in doua ipoteze:

a.umiditatea materialului este raportata la materialul umedi;

b.umiditatea materialului este raportata la materialul uscat.

(a: U kg/h; b: U kg/h)

3. Un precipitat obtinut in urma filtrarii, continind 30% apa si 70% substanta solida este uscat cu aer cald in contracurent. Umiditatea aerului la intrarea in uscator x_i=0,015, umiditatea aerului la iesirea din uscator x_f Umditatea finala a precipitatului este de 8% (masa). Sa se determine consumul de aer pe kilogramul de solid uscat.

kg aer/kg solid uscat

Sa se determine debitul de aer necesar intr-un uscator functionind in regim stationar daca:
debitul de material umed la intrarea in uscator este kg/h;
umiditatea initiala a materialului umed: 40% raportata la materialul umed;
umiditatea finala a materialului la iesirea din uscator: 2,5% raportata la materialul umed;
continutul in umezeala al aerului
la intrarea in uscator: kg/kg aer uscat;
la iesirea din uscator: kg/kg aer uscat.

(L = 20.243 kg/h)

5. Sa se calculeze debitul de apa care se elimina la operatia de uscare a 2,5 t/h pasta de carbonat de nichel, de la umiditatea initiala de 60%, la umiditatea finala de 5% ( umiditatile sunt raportate la materialul uscat ).

Sa se determine deasemenea debitul de aer cu umiditatea initiala 0,01 kg_apa/kg_{aer uscat} si umiditatea finala 0,055 kg_apa/kg_{aer uscat}, care este necesar pentru preluarea apei din materialul umed.

R: 0,86 t/h; 19,1 t/h

BILANT DE MATERIALE

1. Intr-o coloana de rectificare se separa un amestec de pentan-hexan. Debitul amestecului de alimentare este de 100 Concentratiile componentului usor volatil in amestecul de alimentare si in distilat sunt 30%mol si respectiv 95%mol. Concentratia componentului greu volatil in reziduu este 90%mol. Debitul de reflux este de 60. Sa se calculeze debitele masice de distilat, reziduu si vapori produse de coloana de rectificare.

R: 1710,6

2. Intr-o coloana se absoarbe in apa acetona dintr-un amestec acetona-aer. Se cunosc urmatoarele date:

- debitul amestecului gazos: 2500

- concentratia acetonei in amestecul gazos care intra in coloana: 5%vol.

- concentratia acetonei in amestecul gazos care iese din coloana: 1%vol.

- concentratia acetonei in solutia apoasa care iese din coloana: 80% din concentratia la echilibru

- ecuatia liniei de echilibru: Y = 1,68*X

Stiind ca pentru absorbtie se utilizeaza apa recirculata continand 0,15% acetona, sa se calculeze debitul de apa necesar realizarii operatiei.

R: 183,3

3. Intr-o coloana se absorb in ulei vaporii de benzen dintr-un amestec gazos. Concentratia initiala a benzenului in amestecul gazos este 3,5%vol., iar gradul de separare a benzenului are valoarea de 78%. Concentratia benzenului in uleiul care iese din coloana reprezinta 80% din concentratia la echilibru. Ecuatia liniei de echilibru este: Y = 0,126*X.

Stiind ca debitul de ulei necesar in coloana de absorbtie este de 20, sa se determine debitul amestecului de gaze si vapori de benzen, care se alimenteaza in coloana.

R: 167,4

4. Sa se calculeze debitul de apa care se elimina la operatia de uscare a 2,5 pasta de carbonat de nichel, de la umiditatea initiala de 60%, la umiditatea finala de 5% ( umiditatile sunt raportate la materialul uscat ).

Sa se determine deasemenea debitul de aer cu umiditatea initiala 0,01 si umiditatea finala 0,055, care este necesar pentru preluarea apei din materialul umed.

R: 0,86

5. Intr-un rezervor considerat cu amestecare perfecta se gaseste o cantitate de 7000kg solatie apoasa cu concentratia 10%. La un moment dat se incepe introducerea unui debit de 4 apa si simultan se evacueaza din rezervor un debit de 2,5 solutie rezultata.

Sa se calculeze timpul dupa care concentratia solutiei care iese din rezervor devine 5%.

R: 1368,4s

6. Doua rezervoare considerate cu amestecare perfecta si avand volumele V= V= 2m, sunt pline cu o solutie apoasa cu concentratia 25%. La un moment dat, se incepe introducerea in primul rezervor a unui debit de 4 solutie apoasa cu concentratia 2%. Solutia care iese din primul rezervor se introduce in cel de-al doilea. Sa se determine concentratia solutiei evacuate din cel de-al doilea rezervor, dupa 15minute de la inceperea regimului tranzitoriu.

R: 12,6%

7. Sa se calculeze cantitatile de solutii apoase m, msi m, necesare pentru prepararea a 100kg solutie de compozitie 20% etanol, 37% metanol, 43% apa.

Compozitiile solutiilor care se amesteca sunt indicate mai jos:

Solutia 1: 10% etanol; 60% metanol; 30% apa

Solutia 2: 35% etanol; 20% metanol; 45% apa

Solutia 3: 20% etanol; 15% metanol; 65% apa

R: 45,52kg; 30,34kg; 24,14kg

8. Pentru separarea unui amestec ternar benzen - toluen - xilen, se utilizeaza doua coloane de rectificare. Amestecul are debitul de 150 si urmatoarea compozitie: 55%mol benzen, 35%mol toluen, 10%mol xilen. Compozitia distilatului obtinut din prima coloana de rectificare este: 97%mol benzen, 2,5%mol toluen, 0,5%mol xilen. Compozitia distilatului rezultat din cea de-a doua coloana de rectificare este: 5%mol benzen, 92%mol toluen, 3%mol xilen. Reziduul celei de-a doua coloane contine 1%mol benzen, 3%mol toluen si 96%mol xilen.

Sa se stabileasca bilantul de materiale al instalatiei de rectificare.

9. Intr-o instalatie de evaporare in trei trepte cu circulatie in echicurent, se concentreaza o solutie apoasa de NaOH de la concentratia initiala de 8%, pana la concentratia finala de 40%. Debitul de solutie diluata alimentat in instalatie este de 10000. Debitul de vapori rezultat din fiecare evaporator urmator este cu 11% mai mare decat cel obtinut din evaporatorul precedent.

Sa se stabileasca bilantul de materiale al instalatiei de evaporare.

10. Sa se calculeze raportul dintre debitul de vapori si debitul de lichid, obtinut in conditiile distilarii de echilibru a gazolinei la P = 18,2bar si T = 330K.

Compozitia gazolinei si valorile constantelor de echilibru ale componentilor acesteia (in conditiile de operare indicate), sunt specificate in tabelul urmator:

R: 0,1488

11. Intr-o instalatie formata dintr-un evaporator si un cristalizator, se prelucreaza 2500 solutie continand 30%NHNOsi 1% impuritati solubile, nevolatile.

Se cunosc:

- concentratia NHNOin solutia concentrata care iese din evaporator: 50%

- concentratia NHNOin solutia mama: 10%

- concentratia impuritatilor in solutia mama: max.5%

- pentru evitarea acumularii impuritatilor in circuit, o parte din solutia mama se elimina din instalatie, iar restul se recircula in evaporator impreuna cu solutia proaspata

- cristalele de NHNOcare rezulta din cristalizator au umiditatea de 20%

Sa se stabileasca bilantul de materiale al instalatiei.

BILANT TERMIC

1. Sa se calculeze caldura molara medie si caldura specifica medie a unui amestec gazos, continand 30%vol.CO, 20%vol.CO si 50%vol.CH, pe intervalul de temperaturi cuprins intre 30 si 100C.

R: 38,5

2. Sa se determine caldura specifica medie a alcoolului izopropilic, pe intervalul de temperaturi cuprins intre 20 si 80C.

Se cunosc urmatoarele date experimentale:

R: 3103

3. In tabelul urmator sunt indicate valorile presiunilor de vapori ale sulfurii de carbon, la temperaturi cuprinse intre 20 si 60

Utilizand ecuatia Clausius - Clapeyron, sa se calculeze caldura latenta de vaporizare a sulfurii de carbon la temperatura de 40.

Se vor utiliza urmatoarele metode:

determinarea grafica a derivatei

2. asimilarea derivatei cu un raport de diferente finite

3. integrarea ecuatiei Clausius - Clapeyron

R:

4. Sa se calculeze debitul de apa necesar intr-un schimbator de caldura in care se raceste un debit de 100 amestec gazos continand 60%vol.Hsi 40%vol.N, de la 80 la 25

Apa de racire intra in aparat la temperatura de 18 si se evacueaza la 45

R: 1419

5.Intr-un schimbator de caldura se incalzeste un debit de 200 aer, de la temperatura de 30 la 90. Ca agent termic se utilizeaza abur saturat uscat cu t = 130

Sa se calculeze debitul de abur necesar, daca din aparat se evacueaza condens la temperatura de 110

R: 154,8

6. Pentru incalzirea a 2500kg solutie s-au consumat 150kg abur cu p = 2at. Stiind ca temperatura initiala a solutiei a fost de 15, iar caldura specifica medie a acesteia este de 2800 , sa se determine temperatura solutiei la sfarsitul incalzirii.

Pierderile de caldura se estimeaza la 7200kJ.

R: 61,3

7. Intr-un evaporator se concentreaza un debit de 2400 solutie apoasa cu concentratia 12%, pana la concentratia de 32%. Temperatura de fierbere a solutiei in evaporator este de 115. Vaporii rezultati sunt condensati intr-un condensator de suprafata, in care se utilizeaza un debit de 30 apa, la temperatura de15

Sa se calculeze temperatura de iesire a apei din condensator.

R: 41,5

8. Sa se determine debitul de apa necesar in condensatorul final al unei instalatii de evaporare cu efect multiplu, stiind ca se condenseaza un debit de vapori de 2 la p = 0,2at si se dispune de apa cu temperatura de 18, in urmatoarele cazuri:

- apa este evacuata la temperatura de condensare

- apa este evacuata la temperatura de 40

R: 26,98

9. Intr-un evaporator se concentreaza la presiunea atmosferica 4000 solutie apoasa cu concentratia 8%, pana la concentratia 30%. Temperatura de fierbere a solutiei in evaporator este de 105. Caldura specifica a solutiei diluate este 3850.Ca agent termic se utilizeaza abur umed cu p = 2at si x = 0,95.

Sa se determine debitul de abur necesar functionarii evaporatorului, in urmatoarele cazuri:

- temperatura de alimentare a solutiei diluate in evaporator este de 25

- solutia diluata se alimenteaza preancalzita la temperatura de fierbere

R: 3721,3

10. Intr-o coloana de rectificare, se fractioneaza la presiunea atmosferica un debit de 1134 amestec metanol-apa, continand 50% metanol. Concentratiile componentului usor volatil in distilat si in reziduu, sunt de 95%mol. si respectiv 1%mol. Cifra de reflux: R = = 2. Temperatura la varful coloanei: t . In fierbatorul coloanei se utilizeaza abur saturat uscat cu t = 130

Sa se calculeze debitul de abur necesar functionarii coloanei de rectificare si consumul specific de abur.

R:

11. Se considera o coloana de rectificare in care se fractioneaza la presiunea atmosferica un amestec acetona-benzen.

Utilizand ecuatia nesimplificata de bilant termic pentru coloana de rectificare, sa se determine debitul de abur in fierbator, pe baza urmatoarelor date:

- debitul amestecului de alimentare: 68000( se considera 330 zile lucratoare anual)

- concentratiile componentului usor volatil:

a. in amestecul de alimentare: 35%

b. in distilat: 98,7%

c. in reziduu: 2,7%

- pierderile admisibile de materiale: 0,3% fata de amestecul de alimentare

- cifra de reflux: R = =3

- temperaturile semnificative in coloana:

- pierderile de caldura: 3% din caldura utila

Sa se compare rezultatul cu cel obtinut din ecuatia simplificata de bilant termic.

R: 0,809

12. Se considera un uscator pentru care se cunosc urmatoarele date:

- debitul de material umed care se alimenteaza in uscator: 1000

- umiditatea initiala a materialului: 40%

- umiditatea finala a materialului: 10%

- temperatura materialului care intra in uscator: 15

- temperatura materialului care iese din uscator: 45

- caldura specifica medie a materialului: 2500

- caracteristicile aerului utilizat ca agent de uscare:

a. la intrarea in calorifer:

b. la iesirea din uscator:

- masa transportorului de otel: 900kg

- caldura specifica a otelului: 500

- pierderile de caldura se estimeaza la 2%

Sa se calculeze consumul de caldura in uscator, temperatura aburului de incalzire si debitul de abur necesar. Se considera ca diferenta dintre temperatura aburului si cea a aerului la iesirea din calorifer, este de15K.

R: 354926W; 143; 0,165

13. Un rezervor considerat cu amestecare perfecta este plin cu apa la temperatura de 18. Volumul rezervorului este de 3000l. La un moment dat se incepe introducerea unui debit de 2 apa la temperatura de 80 si simultan evacuarea unui debit de apa egal cu cel introdus.

Sa se determine:

1. Temperatura apei la iesirea din rezervor dupa 20min. de la inceperea regimului tranzitoriu

2. Dupa cat timp de la inceperea regimului tranzitoriu, temperatura apei care iese din rezervor va fi de 75

R: 52,14; 3776s

14. Doua rezervoare considerate cu amestecare perfecta si avand capacitatile egale fiecare cu 5m, sunt pline cu apa la temperatura de 18 . La un moment dat se incepe introducerea in primul rezervor a unui debit de 10800 apa, cu temperatura de 80. Apa care iese din primul rezervor se introduce in cel de-al doilea rezervor.

Sa se calculeze durata dupa care temperatura apei evacuate din cel de-al doilea rezervor, devine 60

R: 1,08 h

15. Intr-un rezervor se gaseste o cantitate de 10000 kg apa la temperatura de 20. Se urmareste incalzirea directa a apei din rezervor cu abur saturat uscat cu p = 2 at, pana la temperatura de 85. Pierderile de caldura in mediul inconjurator sunt de 10 kW.

Cunoscand ca debitul de abur este de 1, sa se calculeze durata incalzirii.

R: 1478s